透水降噪多孔混凝土力學(xué)性能研究

王印龍

(陜西省交通交通建設(shè)集團(tuán)公司 西安 710075)

透水降噪多孔混凝土力學(xué)性能研究

王印龍

(陜西省交通交通建設(shè)集團(tuán)公司 西安 710075)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了10～15 mm集料含量、水灰比、目標(biāo)空隙率和4種不同類型的有機(jī)聚合物乳液對(duì)多孔混凝土力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)10～15 mm集料含量為40%時(shí)，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度最大，空隙率最?。划?dāng)水灰比小于0.28時(shí)，隨水灰比的增大，混凝土的早期和后期強(qiáng)度顯著增大，而當(dāng)水灰比大于0.28時(shí)，強(qiáng)度隨水灰比有所減??；隨目標(biāo)空隙率的增大，混凝土不同齡期的強(qiáng)度大幅下降，實(shí)測(cè)空隙率、實(shí)測(cè)有效空隙率和目標(biāo)空隙率之間都具有很好的二次相關(guān)性；丁苯乳液對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的改善作用最明顯，而氯丁乳液對(duì)混凝土后期強(qiáng)度其主要作用，強(qiáng)度對(duì)改性環(huán)氧乳膠摻量的變化最敏感.

道路工程；多孔混凝土；強(qiáng)度；空隙率；力學(xué)性能

0 引 言

路面排水問(wèn)題一直是公路水環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn).當(dāng)雨水降落在路表范圍內(nèi)時(shí)，絕大部分水可以通過(guò)路面橫坡和縱坡排到路基以外，但仍有一部分水會(huì)通過(guò)路表面的孔隙和裂縫滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部[1]，進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水在車輛荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，從而對(duì)基層和路基材料造成沖刷，引起路面的結(jié)構(gòu)性破壞.因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)合理的排水基層材料對(duì)提高路面的使用性能，延長(zhǎng)路面使用壽命具有重要意義.研究表明，排水基層材料必須滿足二方面的要求：(1)具有足夠的滲透性；(2)有足夠強(qiáng)度以滿足路面的結(jié)構(gòu)要求[2-3].

多孔混凝土是一種由少量水泥和大量的碎石構(gòu)成，含有連續(xù)孔隙，有一定強(qiáng)度同時(shí)又具有良好透氣性和透水性的混凝土[4-5].用于路面結(jié)構(gòu)不僅能夠降低路面噪聲[6-7]，而且能夠排出路面內(nèi)部的積水.相關(guān)研究表明[8-13]，相比于其他路面基層材料，多孔混凝土具有高強(qiáng)度、干縮小、抗沖刷性能好等優(yōu)點(diǎn).然而，多孔混凝土中細(xì)集料含量小，由水泥裹覆在粗集料的表面形成孔隙均勻分布的峰窩狀結(jié)構(gòu)，以保證滲透性.如何在具有高滲透性的同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，是多孔混凝土面臨的主要問(wèn)題.本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了集料級(jí)配、水灰比、空隙率和有機(jī)聚合物增強(qiáng)劑等對(duì)多孔混凝土力學(xué)性能的影響，為我國(guó)多孔混凝土的設(shè)計(jì)與施工提供參考.

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥 水泥選用四川重龍股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5重龍山牌水泥，有關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料 集料選用玄武巖，規(guī)格有5～10 mm和10～15 mm 2檔，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 增強(qiáng)劑 選用4種不同的有機(jī)聚合物乳液作對(duì)比，優(yōu)選出最佳的有機(jī)聚合物增強(qiáng)劑.4種聚合物乳液的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3.

表3 有機(jī)聚合物乳液技術(shù)性質(zhì)

1.1.4 外加劑 外加劑選用江蘇博特新材料有限公司提供的PCA羧酸類高效減水劑，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求.

1.2 試驗(yàn)方法

將集料與水泥、有機(jī)聚合物乳液混合攪拌60 s后，繼續(xù)攪拌并徐徐加水，水中已事先加入減水劑，全部加料時(shí)間不超過(guò)120 s.水加入后繼續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間比普通混凝土稍長(zhǎng)，約為120 s.將攪拌好的混凝土裝入模具中成型1 d后脫模，并養(yǎng)護(hù)至7 d或28 d，最后按規(guī)范要求進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.

2 級(jí)配對(duì)力學(xué)性能的影響

根據(jù)5～10 mm和10～15 mm 2檔集料的質(zhì)量比(75∶25,60∶40,45∶55,30∶70,15∶85)不同初選7種級(jí)配，控制水灰比為0.26，灰集比為0.27，目標(biāo)空隙率為22%，制成多孔混凝土試件，測(cè)定7 d抗壓強(qiáng)度、7 d抗折強(qiáng)度和空隙率，研究10～15 mm集料含量對(duì)多孔混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 級(jí)配對(duì)力學(xué)性能的影響

從圖1可見(jiàn)，隨著10～15 mm集料含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先增大后減小，空隙率先增大后減小再增大.當(dāng)10～15 mm集料含量為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，空隙率最小，且此時(shí)的空隙率最接近目標(biāo)空隙率；而當(dāng)10～15 mm集料含量為25%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，但與10～15 mm集料含量為40%時(shí)的抗折強(qiáng)度相差并不明顯.

這是因?yàn)槎嗫谆炷翞榈湫偷墓羌芙Y(jié)構(gòu)，當(dāng)10～15 mm集料含量小于40%時(shí)，0～5 mm集料含量太大對(duì)10～15 mm集料的填充起干涉作用，且撐開(kāi)了10～15 mm集料形成的骨架，因此表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨10～15 mm集料含量的增多而增大，空隙率隨10～15 mm集料含量的增多而減小.而當(dāng)10～15 mm集料含量大于40%時(shí)，隨著10～15 mm集料含量增大，0～5 mm集料含量減小，10～15 mm集料形成的空隙已經(jīng)無(wú)法被0～5 mm集料完全填充，混凝土中形成了出現(xiàn)大量的開(kāi)口孔隙，表現(xiàn)為隨10～15 mm集料含量增大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸減小，而空隙率逐漸增大.綜合考慮，最佳級(jí)配應(yīng)為10～15 mm集料和0～5 mm集料質(zhì)量比為40%∶60%.

3 水灰比對(duì)力學(xué)性能的影響

在最佳級(jí)配下，選擇不同的水灰比成型混凝土試件分別養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d，并測(cè)定其強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 水灰比對(duì)力學(xué)性能的影響

從圖2可見(jiàn)，當(dāng)水灰比小于0.28時(shí)，隨著水灰比的增大，混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都大幅增加，例如水灰比為0.28時(shí)，7 d的抗壓強(qiáng)度相比于水灰比為0.20時(shí)增加34.3%.當(dāng)水灰比大于0.28時(shí)，隨水灰比的增大，混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸減小.當(dāng)水灰比為0.28時(shí)，混凝土28 d的強(qiáng)度都達(dá)到最大值.

這是因?yàn)?，?dāng)水灰比較小時(shí)，混凝土中的自由水含量較小，水泥漿總體流動(dòng)性很差，水泥漿無(wú)法均勻的裹覆在集料表面，故混凝土的強(qiáng)度較低，此時(shí)增大水灰比會(huì)明顯提高水泥漿的流動(dòng)性，使混凝土強(qiáng)度顯著增大.而當(dāng)水灰比大于0.28時(shí)，水泥漿流動(dòng)性較大，水泥漿向試件下部流淌，造成混凝土試件下部較密實(shí)，上部多孔隙，混凝土出現(xiàn)離析，因此強(qiáng)度較低.

4 空隙率對(duì)力學(xué)性能的影響

為了研究空隙率與混凝土力學(xué)性能之間的關(guān)系，選用最佳級(jí)配，控制目標(biāo)空隙率分別為16%，18%，20%，22%和24%，室內(nèi)成型標(biāo)準(zhǔn)多孔混凝土試件，分別測(cè)定其7 d和28 d強(qiáng)度、實(shí)測(cè)空隙率和實(shí)測(cè)有效空隙率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.并分別回歸目標(biāo)空隙率n0和實(shí)測(cè)空隙率n1、實(shí)測(cè)有效空隙率n2之間的關(guān)系分別見(jiàn)式(1)和式(2).

圖3 空隙率對(duì)力學(xué)性能的影響

n1=0.029 3n20-0,254 2n0+12.39

R2=0.995 6

(1)

n2=0.037n20-0.540 2n0+15.589

R2=0.980 8

(2)

由圖3可見(jiàn)，混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都隨實(shí)測(cè)空隙率的增大而線性降低.這是因?yàn)?，多孔混凝土的?qiáng)度主要來(lái)源于骨料之間的摩阻力和水泥漿的粘結(jié)力，集料顆粒之間是點(diǎn)接觸，當(dāng)空隙率增大時(shí)，混凝土內(nèi)部顆粒之間的相互接觸點(diǎn)減少，因此強(qiáng)度降低.

多孔混凝土的實(shí)測(cè)空隙率n1和實(shí)測(cè)有效空隙率n2與目標(biāo)空隙率n0之間數(shù)值接近，且都有很好的二次相關(guān)性，因此在實(shí)際的多孔混凝土設(shè)計(jì)中可以用式(1)和式(2)計(jì)算多孔混凝土的實(shí)測(cè)空隙率和實(shí)測(cè)有效空隙率.

5 有機(jī)聚合物對(duì)力學(xué)性能的影響

選擇4種不同的有機(jī)聚合物乳液，摻量分別控制在2%，6%和10%.在室內(nèi)制備標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試件，養(yǎng)護(hù)至一定齡期，分別測(cè)定7 d和28 d的強(qiáng)度值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5.

圖4 聚合物種類和摻量對(duì)混凝土7 d強(qiáng)度的影響

圖5 聚合物種類和摻量對(duì)混凝土28 d強(qiáng)度的影響

從圖4和圖5可見(jiàn)，不同種類的聚合物對(duì)混凝土不同齡期強(qiáng)度的改善效果并不相同.隨著1#聚合物摻量的增多，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都逐漸增大，其中齡期越長(zhǎng)增大幅度越明顯.隨著2#聚合物摻量的增多，混凝土不同齡期的強(qiáng)度增大不明顯.隨著3#聚合物摻量的增多，混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而7 d和28 d的抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)摻量為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小，而抗折強(qiáng)度最大，此時(shí)混凝土的彎曲韌性最好.隨著4#聚合物摻量的增多，混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，而7 d抗折強(qiáng)度逐漸增大，28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都逐漸減小.

當(dāng)摻量相同時(shí)，對(duì)于7 d的強(qiáng)度，當(dāng)摻加4#聚合物抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大，而摻加2#聚合物時(shí)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最??；對(duì)于28 d強(qiáng)度，摻加3#聚合物時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都為最大，而摻加2#聚合物時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都為最小.表明，4#聚合物對(duì)改善混凝土早期強(qiáng)度最為有利，而3#聚合物對(duì)主要混凝土的后期強(qiáng)度起主要作用，而混凝土強(qiáng)度對(duì)1#聚合物摻量的變化最敏感.

6 結(jié) 論

1) 隨著10～15 mm集料含量的增大，多孔混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而空隙率先增大后減小然后再增大；當(dāng)10～15 mm集料含量為40%時(shí)，空隙率最小，而抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大.

2) 當(dāng)水灰比小于0.28時(shí)，增大水灰比能夠顯著增大多孔混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；而當(dāng)水灰比大于0.28時(shí)，增大水灰比會(huì)降低混凝土不同齡期的強(qiáng)度.

3) 目標(biāo)空隙率越大，混多孔凝土早期和后期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度越?。粚?shí)測(cè)空隙率和實(shí)測(cè)有效空隙率與目標(biāo)空隙率之間數(shù)值接近，且都有很好的二次相關(guān)性.

4) 丁苯乳液對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的改善效果最好，而氯丁乳液主要對(duì)混凝土后期強(qiáng)度其主要作用；混凝土強(qiáng)度對(duì)改性環(huán)氧乳膠摻量的變化最為敏感.

[1]鄭木蓮，陳拴發(fā)，王秉剛．基于正交試驗(yàn)的多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[J]．同濟(jì)大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34(10)：1319-1323．

[2]鄭木蓮．多孔混凝土排水基層研究[D]．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004．

[3]荊祿波．低噪音多孔水泥混凝土路面研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2009．

[4]楊 加，周錫玲，張 勝，等．環(huán)保型植生多孔混凝土試驗(yàn)研究[J]．混凝土與水泥制品，2011(10)：18-22．

[5]劉小康，高建明，吉伯海．粗集料對(duì)多孔混凝土性能的影響研究[J]．混凝土與水泥制品，2005(5)：11-23．

[6]田 波，牛開(kāi)民．水泥混凝土路面輪胎噪音與降噪途徑的研究[J]．公路交通科技，2008，25(9)：172-176．

[7]楊志峰，劉中華，梁永勝，等．集料級(jí)配對(duì)多孔混凝土透水基層材料性能的影響[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(9)：126-129．

[8]孫家偉，王崇濤．排水基層多孔混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)[J]．公路，2006(8)：344-345．

[9]蘇堪祥．多孔混凝土材料組成與路用性能研究[J]．公路，2004(8)：250-254．

[10]郭玉順，陸愛(ài)萍，郭自力．多孔混凝土成分、孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1996(36)：44-49.

[11]許國(guó)東，高建明，呂錫武.多孔混凝土水質(zhì)凈化性能試驗(yàn)[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007(3)：504-507.

[12]李 萌，陳宏書(shū)，王結(jié)良.生態(tài)混凝土的研究進(jìn)展[J]．材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010(5)：89-94.

[13]朱伶俐，何小芳，謝玉芬.綠色多孔混凝土的試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2006(7)：11-13.

Study on the Mechanical Properties of Porous Concrete with Permeable and Noise Reduction

WANG Yinlong

(ShaanxiProvinceTrafficConstructionGroupCompany,Xi'an710075，China)

Through laboratory tests，the effects of the proportion of 10～15mm paiticle、water-cement ration、target porosity and four different types of organic polymer emulsion on the properties of porous concrete are studied. The results indicated that：When 10～15 mm aggregate content is 40%，the compressive strength of 7d has a maximum value，and the void ratio has a minimum value；When the water-cement ratio is less than 0.28，as water-cement ratio increasing，the early strength and late strength of concrete increased dramatically，and when the water-cement ratio is greater than 0.28，the strength with water cement ratio decreased；With the target porosity increases，the strength of the concrete in different age decreased dramatically，and it has a good quadratic correlation between the measured porosity、effective porosity and the target porosity；The improvement effect of styrene butadiene latex on the early strength of concrete is most obvious, and chloroprene latex has main function for the late strength of concrete , the most sensitive to intensity variations on modified epoxy latexcontent.

road engineering；porous concrete；strength；void fraction；mechanical properties

2015-03-10

U416.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.024

王印龍(1960- )：男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣饭こ?